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低爆压准静态胀裂采荒工艺
杨人光 潘溢概
巩辉
石材的传统开采法，一般从上而下，逐层采荒，原地切割整形，机械起吊装车和清方排渣：这种方式，矿山基建工程量大，包括：上山公路，顶部土石方剥离工程，因而基建工程工期长、投资大、机械效力低。又由于从上而下的采荒方式，难免存在着严重压矿造成矿体浪费。
在荒料生产阶段，因受到采准面限制、排炮采荒周期长，进度慢，造成机械设备正常运转台班数严重不足，难以委托社会上机械化施工队承包，全靠矿主自己投资，故矿主若没有足够经济实力，貌然投资开矿，就可能导致中途资金不足而停工。
经岑溪县马路镇云松矿区实践表明，采用峒室低爆压胀裂采荒工艺，彻底改变了传统采荒方式，一则，它将大大缩小矿山基建工程量和基建周期及基建投资费用；二则，以周期短，效益高具备了向社会招商的条件，即利用社会上过剩机械设备承包矿区土石剥离清运及荒料装车工程；三则，大大提高出荒率；四则，如矿山条件允许，一次可采石万方左右。为此，矿主一旦拥有好矿山，即可借用社会上资金（机械设备）投入生产，在销售荒料中，小部分款项可支付施工费。矿主在短期内就获得可观的经济效益，因此，采用峒室低爆压胀裂采荒工艺，将以有限投资达到短期高效益的回报。
峒室低爆压采荒工艺，在矿山总体设计布局的基础上，确定好采场高程，排碴空间，及防污坝位置，运输公路与采场的衔接等，作为设计峒室爆破方案的依据，并且以采场和采准面一次成型为爆破设计技术指标，尔后进行爆破施工费用和清方机械施工量综合论证比较，选取最佳的方案，正是这点，显示出峒室低爆压采荒工艺合理性与所特有的经济价值。
峒室低爆压胀裂采荒工艺由峒室爆破施工、施爆、荒料切割整型，编号入库，起吊装车及废石清运等工序。各工序必须严密配合，均有严格工序生产指标。生产过程就是一项系统工程，预先必须严格规章制度与管理办法，方可达到预期经营目标。
因此在矿山破土动工前，务必具备以下基本条件：
（1）矿区勘测，查明矿体的形态、储量、剥采比、成材率，矿体色泽级别，进行严密的科学的可采性的评估。
（2）要进行剥采工程实施总体方案科学论证（包括机具设备调查）。
（3）在破土动工前，要做好剥采工程招标书，选好各工序承包施工队，订好承包合同书，合同书签订要极为慎重，要充分取得法律保护，方可破土动工
（4）进行荒料销售市场调查，要掌握销售荒料主动权，切忌承包给他人。
以下将详细论述矿区剥采总体设计、综合单价论证及矿山可采性经济价值的评估：峒室低爆压胀裂采荒原理、药包设计原则及施工施爆可操作性，安全性等完整实施工艺程序。
一、峒室剥采总体方案
1－1 采场高程及采准面
a、根据矿山有效储量（即初始采场以上的矿体储量）土石剥离原度、矿体成材率、矿区采挖、堆填地形，以及矿区层节理、裂隙走向等因素，决定采场的初始高程，及荒料堆移滑道倾角α，坡比为1：5，坡角14°。如图所示。
峒室低爆压胀裂采荒工艺及采场布置侧剖面示意图
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| 图1：矿山原状及开采设计 |
图2：爆除预开挖体，做出滑道导向面 |
图3：爆破完成 |
b、采挖、堆填方量平衡：
根据采场高程调控采准面高度，即可增减矿体有效采挖量，也相应增减剥采比。因此涉及关于剥采土石方与废方清运工作量及单价，要进行综合单价及产出比论证。
在填方量计算时，应根据销售浮方计之，销售浮方将近为二倍以上的实际销售方。例如成材率25%（实际销售方）销售荒料所拉运走的实际浮方占总矿体50%，则营造采场只剩余50%的废方与表层的剥离方量，再乘以1.4松散系数，即为可占据的填方体积。
因此，上述二点正是确定采场高程的依据。
c、在兼顾矿体不受损伤下，采用低爆压胀裂剥采工程设计，必须考虑爆破堆积采场及采准面一次成型，将剥离土石方量堆积滑移就位，最大限度内减少机械清运工作量与时间。也就是说，剥离工程应采用全抛掷定型堆积设计，一次性形成预定采场的轮廓，采准面也同时形成。经粗略整平，并设置装料平台与公路相接。
d、设计全断面矿体采准面，取消上山公路，或者缩短推移荒料与起吊装车位置的距离。同时设计连续分布装料平台，相距20m为适中，或者备有履带式25T以上吊车，最为合适。
1－2 矿山可采性经济价值的评估
一旦采场高程决定之后，矿山有储量M剥采比e，成材率n，它是矿山经济价值评估的重要参数。其次，务必充分估足矿山采掘工程初始基建投资；它包括以下项目。
（1）初期探矿资金
（2）矿区管理人员及技术人员住宅及工作设备。如：住房租金，生活和工作设备（测量仪器、计算机等）
（3）工人临时工棚及水电安装费。
（4）矿山公路及排污工程安全保险金。
（5）纯剥离工程土石方量爆破与清运费用。
（6）基建工程公司正常管理费。
荒料正常生产预算：
（1）机械清方与起吊装车综合单价约占成本的40－50%。
（2）峒室低爆压胀裂荒料占15%。
（3）矿山管理及矿山租金费。
（4）切割整型销售方单价100－168元/M3。
（5）推算后采荒综合单价为350－400元/M3。
1－3 脉状岩体开采的应用价值
脉状岩体多为高档的花岗石，如丰镇黑、太白青、金梦、万年青等，一般呈岩墙状夹于围岩中，剥采比极大。且岩脉上部为覆盖层、风化带、半风化带，厚10m左右，其下才是较完整的石材。一般小矿均在半风化带中采石，石材块度小，为0.2－2m3。在到达新鲜岩石时，坑已很深，坡度加大，且完整的岩石不易分离和吊装，只好放弃。
现从丰镇黑某矿体来论述，见图2
矿体采用常规方法采矿，多年来，进行了大量的剥离，但一直在半风化带内采石，荒料块度小，不规则，现已接触到新鲜岩石，可是，开采相当困难，见图3
如果采用低爆压准静态胀裂采荒工艺，可按下列步骤：
1、将岩体上部和前侧面的剥离体剥去，做出滑道。
2、在爆离矿体的后侧面和底部打峒室，装药，见图4。
3、爆破
岩石依天然裂隙破裂，推移至料场。切割、整形、吊装。较常规采矿法提高荒料率1－2倍左右，见图5。
下一步可依此方法向下部和两侧进行。
二、峒室低爆压胀裂采荒原理
2－1低爆压胀裂采荒工艺由来
为了达到贵重石材成批规模生产，早在七十年代，我国曾有数次采用峒室爆破应用采荒工程但均未能成功。因此常规工程爆破意于充分破坏岩体条件下，从爆破工程经验中归纳出的经验公式。是难以控驾爆炸对岩体作用与破裂效应。唯有爆破工程学所能赋予说明与证实。中科院杨人光教授在从事爆破工程学研究与探索过程中，完成爆破抛体加速运动渗流模型计算（力学学报，1982）的同时，进行了爆炸初期作用与断裂效应，发现药室空隙比VD是控制柱状药室爆炸初始作用耗能比重要参数。在超大VD的情况下、爆炸初期作用耗能仅占爆炸能的4－5%，它只能提供临界能级断裂（即唯有两条优势径向裂隙，形成爆破漏斗线）。恰好在超大VD情况下，药室空腔形成低压爆轰气体，即爆轰气体压力低于岩石抗压极限强度。尔后，抛体在低爆压驱动下，使岩体按固有天然节理裂隙结构松弛，并获得一定值推移速度。
因此，采用超大空隙比，形成低爆压、爆轰气体，胀裂岩体并获得沿采场滑道滑移初速度，恰好正是采荒工艺所要求。作者在有识之士支持下，进行数座贵重石材采荒生产性试验，经荒料试销售、锯板，板材质量完好，说明峒室低爆压胀裂不会造成荒料内部损伤。获得峒室低爆压胀裂采荒阶段性的可喜成果。同时也说明爆破工程学作为一门学科发展必将开拓爆破工程应用新的领域。
上述峒室低爆压胀裂采荒工艺由来，是经过十几年实践与理论上探索，最早作者根据意大利贵重石材水压采荒的启发，进行峒室水压力胀裂模型程序模拟和实践并且建立球型与柱型组合药室水压爆破模型。同时考虑球柱水压力能量传递，但均未取得满意效果，正因为水是良好传能介质，无法克服水中爆炸首次冲击波对岩体微裂纹振伤的作用。倘若在充满水峒室再设计空气泡沫消破装置，可以减弱首次冲击波对药室壁面压力强度，但施爆可操作性上难度很大。同时根据多次石方水压力爆破实践表明加剧了岩体破碎（即首次冲击波作用增大了掠过岩体的能流密度），也就是说，水下突加限压载荷与水下爆炸载荷有本质区别。于是作者才放弃水压力胀裂的采荒思路。全力考虑超大空隙化球柱药室初期爆炸作用及破裂效应，随后建立大块度情况下抛体加速运动渗流计算模型，并且按照径向速度分布、进行非连续的，阶梯式的速度差值的分析，给出超大空隙比下抛体的撞击无破裂的临界抛方单耗。也就是说，作者从理论上导出，在特定临界抛方单耗胀裂爆破，其鼓包隆起过程中岩块间所发生碰撞的动量值低于岩石破裂冲量值，确保荒料完好不因爆炸载荷作用而损伤。正是这点，使低爆压张裂采荒成为可能。
2－2低爆压胀裂采荒设计协调性
根据柱状药室初期爆炸作用及破裂效应，与随后鼓包隆起渗流模型程序模拟计算结果如下：
1、柱状药室（线药包）爆炸初期作用及破裂效应，导出爆破源斗的临界能级单耗KD=0.1-0.15公斤/米3
显然低于正常深孔爆破单耗2－3倍，其可信度似乎使人怀疑但这里应该指出，深孔爆破是有限长柱状药室，如大单耗以克服底盘夹制效应，实际深孔爆破赋有爆破块度的要求，非临界能级爆破，而是大能级的松动爆破。
广西岑溪红花岗岩小炮孔爆破作业，其爆破单耗就控制在0.10－0.15公斤/M3，它纯属临界断裂爆破。
但随着空隙比的增大，临界单耗缓慢地递增，其增大幅值总是低于或近似于鼓包隆起运动无二次破碎的临界抛方单耗，使爆破单耗保持一致性。
2、根据随后抛体加速运动惨流模型计算表明：当V0＜2时，初期作用能耗占总炸药能量40－50%，因而抛体抛掷能力很低。抛掷系数仅有球状药室爆破抛掷能力的1/2－2/3。这点长期以来，在我国爆破界公认为柱状药包只适用于岩体松动，不宜抛掷。这是可以理解的，因为工程爆破是来自实践直观经验。但模拟试验表明：随着药室空隙比的增大，抛体抛掷能力随之递增，当V0＞20时，抛体抛掷系数KV=24-26，1991年广东惠州码头定向爆破搬山填海获得成功，这不仅验证了抛体鼓隆起渗流模型可靠性，同时使我国爆破工程界也取得共识，柱状药室爆破拥有良好远抛掷效果。因为在柱状药室爆破将具备有90%以上炸药能量用与抛掷，使超大空隙比低单耗爆破，同样获得符合采荒所要求的推移速度，并按岩体固有裂隙，纹理胀裂松开，沿着采场有序滑移堆积，达到预定的距离。便于荒料的分割及吊装。绝非一般松动爆破之概念。一般松动爆破爆块堆积如山，使人望而生畏。那就失去它的价值。
因此，柱状超大空隙比药室胀裂爆破，使胀裂荒料沿采场上滑移，获得有序的堆积，达到规模性的荒料生产。必须获得准平面药包均匀化速度场分布。当然球状式药室爆破不仅大空隙比药室实施有难度，更重要球状式药室爆破鼓包隆起抛体速度场分布梯度大，空间衰减系数为I，并且爆破临界单耗却要大于临界撞击抛方单耗，质心抛掷能力又低，致胀裂与推移速度所要求的单耗不相协调，我国湖北省星子县贵重石材开采，曾试过集中峒室松动爆破，爆后荒料爆伤锯不成板材。
2－3 矿体层节理、裂隙，主纹理的勘测
１、矿体规模采荒的成材率η高低，取决于采准面走向及倾角选定是否与矿体层节理、裂隙及主纹理走向与倾角相吻合。因此，首先从工程地质结构加以判断后在基岩中取试块，进行破块试验，决定主次纹理走向。
（1）取标有方向（正北向）园柱型的试块（体积为一立方米）寻求破块临界能级单耗，及破裂方向（与正北的夹角从而由破块与漏斗临界能级，单耗关系（球状药室），给出球状药室临界单耗K。
（2）探洞地质素描，测定矿区裂隙走向；裂隙距，及色泽级别，结合地表裂隙分布，确定矿体成材率η。
（3）通过爆破振波测定矿体，纵横波波速，Co及Ca，以及矿体体密度P
o与极限抗压强度σ9。
２、最后通过计算机模拟试验，确定矿体强度比σB/σT及内摩角Φ，由此得出矿体临界胀裂及推移性能曲线。
三、低爆压准静态胀裂技术广泛应用性
该技术特点，应用柱状药室调控开挖轮廓而不损伤岩体天然微裂隙结构。将广泛应用水工明挖工程，道路高边坡逐级开挖，以及核电站地下岩方开挖工程。同时，相同爆炸药量胀裂比常规爆破振动效应低4－5倍，属于振动轻微一种爆破技术；若再应用水封堵塞，可获得无飞石的控爆结果。
（此项技术于2000年1月获教育部科技进步一等奖。）
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